應急電源車運行狀態遠程在線監測管理系統

黃俊 陳博 吳東鋒 齊福海 李明林

摘要：移動電源車已成為電力系統中保供電應急預案的重要組成。為了適應電力系統數字化轉型和智能化管理的發展，保證電源車安全可靠運行，實現運維指導，需要對電源車的運行狀態進行遠程實時監測和綜合管理。結合電源車結構、技術規范標準、應急處理功能定位等方面特點和需求，設計了一套應急電源車運行狀態遠程在線監測管理系統。系統從車載端、云服務器端和用戶端出發，基于分布式架構，分為車況監測系統、數據通訊系統和車輛運維管理調度系統。通過實例應用，系統在監測電源車發電機組、底盤車、運行環境等在線運行狀態監測管理方面運行效果穩定可靠。該系統對其他類型應急救援車輛的監測系統的開發與應用有著重要的參考價值。

關鍵詞：電源車;應急車輛;狀態監測

中圖分類號：U469;TP27文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）11-0148-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Remote Online Monitoring and Management System of Emergency PowerSupply Vehicle

Huang Jun1，Chen Bo1，Wu Dongfeng2，Qi Fuhai2，Li Minglin3※

（1. Guangzhou Power Supply Bureau， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China;2. Longyan Haidexin Automobile Co.， Ltd.，Longyan， Fujian 364000， China;3. College of Mechanical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350116， China）

Abstract： Mobile power supply vehicle has become an important part of emergency plan for power supply in power system. In order to adapt to the development of digital transformation and intelligent management of power system， ensure the safe and reliable operation of power vehicles， and realize the operation and maintenance guidance， it is necessary to carry out remote real-time monitoring and comprehensive management of the operation status of power vehicles. A remote online monitoring and management system of emergency power supply vehicle was designed based on the characteristics and requirements of power supply vehicle structure， technical specifications and standards， and emergency processing function. Basedon thedistributedarchitecture， thesystem wasdividedinto threesubsystems，including vehiclecondition monitoring system， data communication system and vehicle operation and maintenance management scheduling system. Through an example， the system shows the reliable operation effect in monitoring the power car generator set， chassis car， operating environment and other online operation state monitoring management. The system has important reference value for the development and application of other types of emergency rescue vehicle monitoring system.

Key words： power supply vehicle; emergency vehicle; condition monitoring

0 引言

全社會用電量已成為衡量一個國家經濟發展的宏觀經濟數據之一。在全球經濟因遭受新冠病毒疫情影響而普遍負增長的背景下，2020年我國全社會用電量超過7.5萬億 kW ·h ，取得同比增長3.1%的成績[1]。作為一種新型專用應急裝備，應急電源車因其優越的移動性能，特別適合用于應對各種自然災害、斷電搶修等突發事件的保供電。因此，應急電源車已成為電力系統制定各級應急預案的重要組成部分[2]。為確保應急電源車處理突發事故的應急能力，實時在線遠程監測和管理電源車的運行狀態變得十分必要[3-5]。

由于電源車是2000年之后才在我國發展起來的[6]，電源車運行狀態在線監測管理系統還處于起步發展階段。近年來，隨著物聯網技術和車聯網技術的發展，電源車的遠程在線監測管理系統受到了廣泛的關注。例如，李智勇等[3]針對航空電源車的飛行保障效率和飛行安全，設計并實現了車輛運行狀態參數的自動檢測。但有部分研究仍停留在概念設計，也有一些研究是針對電源車的發電機組進行自動監測和保護控制[7-8]。例如，李孝全等[7]針對某型武器系統電源車柴油發電機組的發動機和發電機的運行參數進行監測和故障報警及保護控制。楊旭峰等[8]針對武器系統移動電源車的柴油發電機組在大修時沒有測試控制設備的問題，設計了一套可以實時監控柴油發電機組電特性和柴油機運行狀態的測控系統。此外，有大量的研究是針對電源車進行故障診斷。但只有少數文獻介紹了電源車故障診斷系統和儀器設備的研究。例如，陳友龍等[9]基于單片機針對飛機地面電源車的各項參數進行監測系統設計。張強等[10]提出開發一種針對武器系統電源車的智能故障檢測設備，用于采集電源車的關鍵節點數據。

本文結合電源車的結構特點、技術規范標準要求以及應急處理突發事故的功能定位，設計了一套嵌入式電源車運行狀態遠程在線監測管理系統。該系統由硬件和軟件兩部分組成，分別安裝在電源車車體和云端集中監控中心平臺，中心平臺可以通過數據傳輸模塊遠程在線獲取電源車的實時運行狀態，為電網企業和主管部門的數字化、智能化建設提供必要的數據支撐。

1 電源車概述

本文所指電源車是指符合 QC/T911-2013電源車行業標準的采用定型汽車底盤或整車改裝的裝備有8～1250 kW 、額定電壓為400 V 的工頻三相交流柴油發電機組的電源車或電源半掛車[14]。電源車基本構造主要包括專用底盤，集成了柴油發電機組、輸配電及操控、進排風隔音降噪、照明單元和線纜絞盤等單元的集裝箱式車廂等，如圖1所示。

在電力系統各級應急預案中，電源車的使用應盡量避免出現這些問題：調度不及時、供電速度慢、供電余量不足、車輛安全隱患等。為此，電源車的監測管理系統應能夠獲取電源車的動態地理位置、發電機組各項參數、車廂內外環境信息、底盤車輛各項參數等。此外，監測管理系統也需要包含電源車的車輛基本信息和運維調度管理信息，以更好地促進電源車車企的售后服務和調度運行平臺的管理。

2 系統總體方案

電源車遠程在線監測管理系統由車載端、云服務器端、用戶端（移動電話端和計算機端）等軟硬件部分組成，如圖2所示。本系統中，車載端發電機組數據、底盤車數據、音視頻數據、行車記錄儀數據、安防數據等數據可顯示在車載端控制屏，并經過車載基站基于5G/4G/3G/網絡將數據上傳至云服務器后，進行統一管理，用戶可在電腦端和手機端統一訪問。

系統采用分布式模式構建，分為設備層、傳輸層、協議層、數據層、業務層和管理層等，如圖3所示。設備層包含本系統的所有硬件，即發電機組監測模塊、 GPS/北斗雙模定位模塊、環境傳感器模塊、無線透傳模塊、CAN總線模塊、用戶終端、中心平臺服務器、顯示器等設備。其中，發電機組監測模塊、GPS/北斗雙模定位模塊和環境傳感器模塊等組成了車況監測系統。車載無線透傳模塊和 CAN總線組成了數據通訊系統。中心平臺服務器、顯示器和用戶端以及軟件部分組成了車輛運維管理調度系統。

3 分系統設計

3.1 車況監測系統

系統采用基于 NXP i.mx6UltraLite處理器的工控機核心板。該板集成了一個 CAN-bus接口，用于與柴油發電機組監測模塊進行數據傳送。電源車柴油發電機組模塊的硬件組成包括：柴油機和發電機、控制屏、分立式輸入輸出 I/O子模塊、信號指示子模塊、電子控制子模塊（ECM）、狀態監視子模塊。控制屏通過主數據連接口與 ECM及柴油機傳感器進行通信，并且通過輔助數據連接口與分立式輸入輸出 I/O子模塊及狀態監視子模塊進行通訊。主數據連接和輔助數據連接都是采用美國汽車工程師協會（SAE） J1939協議。此外，控制屏還通過一個數據連接口（SCADA）與核心板連接，并且基于 Modbus 協議進行系統控制和參數監測的通信。通過狀態監視子模塊可以采集柴油發電機組的發動機的轉速、油壓、水溫、油量，以及發電機的頻率、電流、功率、電壓、工作時間等。

車況監測系統的 GPS/北斗雙模定位模塊提供了電源車的地理位置信息，系統通過串口采集車輛的經緯度和海拔高度信息。系統的環境傳感器模塊包括溫/濕度傳感器、視/音頻傳感器、底盤車狀態傳感器、車廂水浸傳感器、車廂艙門傳感器等。溫/濕度傳感器用于監測車廂內溫度，避免設備因環境溫/濕度異常存在故障隱患，造成使用和維護上的困難。視/音頻監控探頭實時監視車廂內外環境，數據通過無線透傳模塊進行通信。底盤車狀態傳感器監測底盤車的車速、姿態、駕駛艙內溫濕度等，可供遠程監控電源車的沿途安全駕駛。車廂水浸傳感器和艙門傳感器可以在電源車在復雜地形上跋山涉水時避免設備進水和艙內物品掉落，保障車輛安全行駛。車載環境傳感器的數據通過 Modbus協議進行通信。

3.2 數據通訊系統

系統硬件間的通訊綜合采用了多種協議格式，包括 Modbus 協議、J1939協議、TCP 協議、JSON 協議、 GPGGA 協議、Protobuf協議，及私有協議等。Modbus協議是自動系統中控制器與設備間的常用標準工業通訊協議，本系統主要用在柴油發電機組監測模塊和環境傳感器模塊中。J1939協議用于柴油發電機組控制屏的主數據接口和輔助數據接口中。TCP協議是互聯網絡系統中端到端字節流的傳輸控制協議，本系統主要用在視/音頻數據的通訊。GPGGA 協議是 GPS導航設備中統一的通訊協議。Protobuf協議是谷歌（Google）公司開源的一種即時通訊協議，國內的微信和手機 QQ即時通訊即采用此協議。本系統的遠程監測中，手機端和電腦端的通訊即采用微信平臺保持實時在線特性。

本系統的數據通訊流程如圖4所示。本系統中，車載端發電機組監測模塊和環境傳感器模塊的設備通過 RS-485、RS-232聯通外置通訊模塊和 GPS/北斗定位模塊，組成一個車載端的電源車運行狀態監測數據采集網絡。車載端的采集設備通過5G/4G/3G模塊與云端服務器連接，建立可靠、穩定的遠程通訊。云端通訊監聽服務通過消息中間件獲取車載端相關設備的采集命令，定時下發至指定設備;云端通訊監聽服務維護采集設備的通訊連接，根據私有二進制協議對上報數據進行解包，獲取完整數據并發送至消息中間件;云端數據解析服務通過消息中間件獲取采集設備上報的數據報文，根據協議進行數據解析、數據存儲、預警規則解析等;后端接口服務通過 http接口與前端頁面進行數據交換，實現基礎數據管理，預警通知;前端頁面根據業務需要，建立業務模型，實時對數據進行可視化展示及數據分析應用。

3.3 車輛運維管理調度系統

車輛運維管理調度系統主要包括車輛基本信息管理子系統、電源車運行狀態監測數據顯示子系統、故障預警子系統、應急指揮調度管理子系統等。車輛基本信息管理子系統用于配置和維護車輛型號信息、底盤車型號信息、發電機組信息、車載傳感器的基本信息以及其他車輛基本信息，為其他子系統提供基礎數據支撐，在統一修改時保證數據的完整性。電源車運行狀態監測數據顯示子系統也是本系統的主要功能層，主要進行數據采集、數據存儲、數據分析、數據顯示等。其根據設置的采樣頻率定時采集車輛的累計工作時間、機組啟動狀態、里程數、帶載時長、地理位置和活動軌跡信息、發電量、發電機組數據、傳感器數據等信息，經過分析處理后使用可視化圖表進行展示，并根據用戶需求進行后續規劃和報表統計。

故障預警子系統可以管理電源車運行狀態的預警規則、預警條件、預警觸發人員等。預警規則包含了故障診斷模型和分析方法，通過對采集數據進行分類和邏輯判斷，當滿足出發條件后，生成預警信息，可通過即時通訊信息（如短信、網頁信息推送等）進行預警，通知設備管理人員提前做出預防措施，有效防止故障發生。應急指揮調度管理子系統是本系統的擴展子系統，集成于上級應急指揮管理中心。子系統管理電源車的實時運行狀態數據，提供給應急指揮管理中心作為基礎數據參與應急預案的執行。

由于本系統是車載遠程在線監測系統，信息采集對象存在大量不可測的工況，車載節點的數據采集和通訊處于不確定性的運動平臺上，采集的數據經常面臨異常斷線問題。為此，本系統基于下位機 Socket心跳包保活機制，實現數據通訊的斷線重連，有效提高了系統的遠程服務效果。

4 應用實例

本系統軟件采用 Java語言進行開發，網站接口服務采用 Spring框架實現對 IOC 、AOP 管理，采用MyBatis持久層框架，支定制化 SQL 、存儲過程以及高級映射，避免了幾乎所有的 JDBC代碼和手動設置參數以及獲取結果集，采用 Spring-Security 進行操作鑒權、認證、權限控制。通訊監聽服務采用基于 NIO模式下Netty框架與采集設備進行通訊連接、數據通信。各子系統間的數據交換采用基于 JSON結構的 JWT令牌進行數據交換。關系型數據采用Orcale 10g進行存儲，非關系型數據采用 Re- dis進行存儲，圖片數據采用文件進行存儲。數據可視化圖表采用Echart工具編寫，系統 web應用服務器采用免費的 tomcat ，采用rabbitmq作為消息中間件，采用SpringMvc作為 web開發框架。

圖5所示為本系統的一個應用案例，包括車載端設備、電腦端和手機端界面、服務器端監控界面。車載端集成設備采集了車輛實時運行狀態、車輛健康狀態等信息，并通過無線網絡傳輸給服務器端進行數據存儲和處理，處理結果提供給用戶端通過電腦 web 界面和手機 App界面進行訪問。

圖6所示為代表性的車輛實時運行狀態數據，并通過圖形化顯示。用戶通過用戶端的界面可以查看發電機組運行狀態，包括實時數據和歷史數據，例如發電機交流頻率、有功功率、電壓，以及發動機轉速、水溫、油壓和工作時間等。

5 結束語

應急電源車是在專用貨車底盤上集成柴油發電機組車廂的專用車輛，因其優越的移動性能，在電力系統保供電應急預案中有重要的應用前景。為保障應急電源車的安全使用和可靠服務，適應電網企業的數字化、智能化升級轉型戰略，有必要開發設計應急電源車運行狀態的遠程在線監測管理系統。本系統利用傳感器與物聯網技術，將應急電源車的車輛底盤數據、車載發電機組運行參數、車輛環境信息等進行實時、集中、統一管理。遠程在線實時監測可供用戶快速了解車輛健康狀況和實時運行動態，并且協助用戶和廠家制定科學合理的運維計劃，保障車輛安全運行，對故障及時響應，縮短故障恢復時間。

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[11] QC/T 911-2013.電源車[S].

第一作者簡介：黃俊（ 1987-），男，江西吉安人，大學本科，研究領域為應急電源裝備。

※通訊作者簡介：李明林（1977-），男，副教授，碩士生導師，研究領域為機械工程和力學，已發表論文60篇。

（編輯：刁少華）